Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Heike Breuer

Imaging and pharmacotherapy

of blood-brain barrier impairment

during epileptogenesis

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-108918

title (ger.)

Bildgebung und Pharmakotherapie von Blut-Hirn-Schranken Veränderungen im Verlauf der Epileptogenese

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/breuerh_ws16.pdf

abstract (deutsch)

Hirninsulte können die Entwicklung einer Epilepsie initiieren, der häufigsten chronischen neurologischen Erkrankung weltweit. Epilepsien sind komplexe Erkrankungen, die durch unvorhersehbar auftretende spontane Anfälle charakterisiert sind, welche bei etwa jedem dritten Patienten nicht effizient behandelt werden können. Die Entwicklung von symptomatischen Epilepsien ist gekennzeichnet durch eine anfallsfreie Latenzzeit, die sogenannte Epileptognese, zwischen dem auslösenden Hirninsult und dem Auftreten wiederkehrender spontaner Anfälle. Während dieser Zeit kommt es zu funktionellen und strukturellen Reorganisationsprozessen im Gehirn, beispielsweise Veränderungen der Blut‑Hirn‑Schranken (BHS)-Integrität. Diese tragen zur Entstehung von neuronaler Hyperexzitabilität bei und initiieren den Prozess der Epileptogenese. Bis heute ist es weder möglich vorherzusagen, welche Patienten nach einem Hirninsult eine Epilepsie entwickeln werden, noch ist es möglich, die Entstehung von Epilepsien zu verhindern. Daher besteht ein dringender Bedarf an diagnostisch nachweisbaren Biomarkern für Epileptogenese, um Risikopatienten frühzeitig identifizieren zu können. Die Latenzperiode nach einem Hirninsult bietet ein geeignetes Zeitfenster für epilepsie‑präventive Therapieansätze. Angesichts der zunehmenden Hinweise darauf, dass Veränderungen der BHS-Integrität nach Hirninsulten sowohl an der Initiierung als auch an der Progression der Epileptogenese beteiligt sind, könnte die Visualisierung von Veränderungen der BHS-Integrität durch molekulare Bildgebung einen geeigneten Biomarker für den Prozess der Epileptogenese darstellen. Mit Hilfe dieser Bildgebungs-Biomarker könnte folglich ein möglicher Behandlungserfolg nach BHS‑protektiver Behandlung im Verlauf der Epileptogenese überprüft werden. Die Zahl der bisher erfolgten molekularen Bildgebungs-Studien in diesem Bereich ist stark limitiert, so dass weitere Untersuchungen nötig sind, um Fortschritte auf diesem Gebiet zu erreichen.

Somit war es das erste Ziel dieser These zu untersuchen, ob die Sensitivität dedizierter Kleintier-[68Ga]-Diethylentriaminpentaessigsäure (DTPA) Positronen-Emissions-Tomographie (PET), [99mTc]-DTPA Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) sowie kontrastverstärkter Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) nach Infusion von Gadobutrol, Gadolinium (Gd)-DTPA oder Gd‑Albumin ausreichend ist, um Veränderungen der BHS-Integrität in Tiermodellen für Epileptogenese nachweisen zu können. Hierzu wurden für [68Ga]-DTPA PET verschiedene Bildgebungsprotokolle einschließlich Bolus‑Injektion und Step‑Down Tracer-Infusion verwendet. Zusätzlich wurden als Vergleichsverfahren immunhistologische Untersuchungen von Gehirnschnitten nach Fluorescein‑iso‑thiocyanat (FITC)-Albumin-Infusion durchgeführt.

Das zweite Ziel der These lag darin festzustellen, ob die Behandlung mit zwei verschiedenen potentiell BHS‑stabilisierenden Medikamenten, Losartan und Dexamethason, eine Protektion der BHS-Integrität während der auf einen Status Epilepticus (SE) folgenden frühen Epileptogenese bewirken kann. Zur Beantwortung dieser Frage wurden MRT‑Untersuchungen nach Step‑Down-Infusion von Gd-DTPA durchgeführt, um die Effekte von Dexamethason und Losartan im Lithium-Pilocarpin-Rattenmodell sowie die von Dexamethason im intrahippocampalen Kainat-Modell der Maus zu beurteilen.

Wir konnten zeigen, dass [68Ga]-DTPA PET, [99mTc]-DTPA SPECT sowie T1‑gewichtetes MRT nach Infusion von Gadobutrol, Gd-DTPA oder Gd-Albumin geeignet sind, Integritätsstörungen der BHS während der frühen Epileptogenese zu detektieren. Die Extravasationsmuster von Tracern und Kontrastmitteln sind dabei auf bestimmte, typischerweise epilepsie-assoziierte Hirnregionen beschränkt. MRT und SPECT haben sich als die sensitivsten Methoden zur Erkennung von BHS‑Veränderungen nach SE erwiesen. Darüber hinaus konnten wir erstmals während der Epileptogenese eine erfolgreiche Protektion der BHS-Integrität durch Behandlung mit Dexamethason bei Mäusen nachweisen. Diese Erkenntnis könnte zur weiteren Entwicklung anti‑epiletogener oder epilepsie‑modifizierender Therapien beitragen. Im Lithium-Pilocarpin-Rattenmodell hingegen konnte mit dem von uns verwendeten Behandlungsschema keine BHS-protektive Wirkung von Dexamethason oder Losartan festgestellt werden.

Unsere Daten zeigen, dass die molekulare Bildgebung eine wertvolle Methode ist, um sowohl die Dynamik als auch die Pathogenese von BHS-Veränderungen während der Epileptogenese zu untersuchen. Darüber hinaus können die in der These etablierten Bildgebungsprotokolle genutzt werden, um in folgenden Untersuchungen die Eignung der Detektion von BHS-Beeinträchtigungen als potentiellen Biomarker für Epileptogenese weiter zu untersuchen und neue anti‑epileptogene Behandlungsansätze zu validieren. Diese Therapien könnten dann zukünftig verwendet werden, um das Risiko der Entwicklung und der Progression von Insult-assoziierten Epilepsien zu miniminieren.

abstract (englisch)

Brain insults can result in the development of epilepsy, the most common chronic neurologic disease worldwide. Epilepsy is a complex disease characterized by unpredictably occurring spontaneous seizures, which cannot be treated efficiently in approximately every third patient. The development of epilepsy is characterized by a seizure-free latency period between the initiating brain insult and the occurrence of spontaneous recurrent seizures, referred to as epileptogenesis. During this time, functional and structural reorganization processes, including blood-brain barrier (BBB) leakage, transform normal brain circuits into an epileptogenic network. To date it is neither possible to predict which patient will develop epilepsy after a brain insult nor to prevent epileptogenesis. Therefore, biomarkers for epileptogenesis are urgently needed to identify at-risk patients. The latent period may offer a therapeutic window for the prevention or modification of epileptogenesis. Given the increasing evidence that BBB impairment following brain insults is one important trigger to set the process of epileptogenesis in motion, non-invasive in vivo imaging of BBB leakage might be a suitable biomarker for epileptogenesis. Moreover, strategies that aim to restore the BBB integrity might consequently be beneficial for the prevention of epilepsy after brain insults. However, the number of molecular imaging studies on BBB leakage is limited and the presence of BBB leakage and its role in epileptogenesis need to be further investigated.

Thus, the first objective of this study was to investigate whether dedicated small animal [68Ga]‑diethylenetriamine pentaacetic acid (DTPA) positron emission tomography (PET), [99mTc]‑DTPA single photon emission computed tomography (SPECT) and contrast enhanced magnetic resonance imaging (MRI) following infusion of gadobutrol, gadolinium (Gd)‑DTPA,  or Gd-albumin would be sensitive to detect BBB leakage in animal models of epileptogenesis. Different imaging protocols including [68Ga]‑DTPA PET after bolus injection and after step-down tracer infusion were used and results were compared to histology as gold standard using fluorescein-iso-thiocyanate (FITC)‑labeled albumin.

The second objective of this study was to evaluate whether two potentially BBB‑stabilizing drugs, losartan and dexamethasone, can preserve BBB integrity and alleviate vascular edema during early epileptogenesis. MRI protocols including step‑down infusion of Gd‑DTPA were used to assess effects of dexamethasone and losartan in the pilocarpine post status epilepticus (SE) rat model and of dexamethasone in the intrahippocampal kainate mouse model.

We found that [68Ga]‑DTPA PET, [99mTc]‑DTPA SPECT and T1‑weighted MRI following infusion of Gd‑DTPA, gadobutrol or Gd-albumin are sensitive to detect BBB leakage in early epileptogenesis. Extravasation patterns are limited to specific, typically epilepsy-associated brain regions. Contrast-enhanced MRI and [99mTc]‑DTPA SPECT are the most sensitive techniques for detecting BBB leakage following SE. Moreover, our results show for the first time a successful reduction of BBB leakage by dexamethasone in mice during epileptogenesis. However, in rats, both dexamethasone treatment and losartan treatment had no BBB protective effects at the used dose.

Our data show that molecular imaging provides an evaluative perspective to gain further insights into the dynamics of BBB leakage and its association with epileptogenesis progression. Moreover, the study offers suitable imaging protocols to further evaluate the role of BBB impairment as potential biomarker for epileptogenesis and to evaluate new anti-epileptogenic treatments. Such therapies could minimize the risk of epilepsy development or progression after brain insults.

keywords

Epileptogenese, Blut-Hirn-Schranke (BHS), Multimodale Bildgebung (MRT, PET, SPECT), Epileptogenesis, Blood-brain barrier (BBB), Multimodality imaging (MRI, PET, SPECT)

kb

6.502